## ANALISIS STATIK PENGARUH VARIASI MATERIAL RANGKA KURSI RODA HEWAN LIPAT MENGGUNAKAN METODE ELEMEN HINGGA

## Zakhratul Khaira
Program Studi Teknik Mesin, Jurusan Teknologi Industri dan Proses, Institut Teknologi Kalimantan
Jl. Soekarno Hatta Km. 15, Balikpapan, Kalimantan Timur 76127 zakhratulkhaira@gmail.com

## Abstrak
Kelumpuhan  jangka  panjang  akan  memiliki  efek  samping  pada  kesehatan  dan  kualitas  hidup hewan. Untuk meningkatkan mobilitas, kualitas hidup hewan lumpuh, dan memberikan alternatif pendekatan yang lebih hemat dari biaya untuk operasi, maka dirancang sebuah kursi roda hewan. Kursi roda hewan yang digunakan diharapkan memiliki kekuatan dan ketahanan yang baik serta aman  digunakan  agar  memudahkan  hewan  dalam  beraktivitas.  Pada  penelitian  ini  dilakukan analisis pembebanan statik sebesar 60 N, 70 N, dan 80 N pada rangka kursi roda hewan untuk mendapatkan nilai tegangan, deformasi, dan faktor keamanan dengan membandingkan material rangka  kursi  roda  hewan  yang  terbuat  dari  Aluminium  6063-T5  dan  PVC  dengan mengaplikasikan  Metode  Elemen  Hingga  menggunakan  perangkat  lunak  berbasis  Computer Aided  Engineering  (CAE).  Setelah  dilakukan  pengujian,  didapatkan  bahwa  nilai  tegangan terbesar terjadi pada Aluminium 6063-T5 pembebanan 80 N sebesar 69.76 MPa, nilai deformasi terbesar  terjadi  pada  PVC  pembebanan  80  N  sebesar  7.95  cm,  dan  nilai  faktor  keamanan terbesar terjadi pada Aluminium 6063-T5 pembebanan 60 N sebesar 2.8 yang dapat dikatakan berkualitas baik. Ketiga variabel ini dipengaruhi oleh nilai pembebanan dan modulus elastisitas, dimana  nilai  modulus  elastisitas  pada  Aluminium  6063-T5  lebih  besar  dibandingkan  PVC. Berdasarkan pengujian tersebut, maka perancangan rangka kursi roda hewan lipat disarankan menggunakan Aluminium 6063-T5.
Kata  Kunci :  deformasi,  faktor  keamanan,  kursi  roda  hewan  lipat,  metode  elemen  hingga, tegangan

## Abstract
Disability caused limited mobility to carry out daily activities and recovery process, in long term, it will cause side effects on the animal physical health. To increase mobility and provide a more cost-effective alternative to surgery, therefore the purpose of this study was to design an animal wheelchair. An animal wheelchair is expected to have strength and excellent durability for easier mobility. In this study, an animal wheelchair frame will be given a static load of approximately 60 N, 70 N, and 80 N to obtain the value of stress, displacement, and factor of safety to compare animal  wheelchair  frame  material  constructed  using  Aluminum  6063-T5  and  PVC  with Computer-Aided Engineering (CAE) software based on Finite Element Analysis. The result shows that the highest stress value occurs at Aluminum 6063-T5 with 80 N static load is 69.76 MPa, the most significant displacement occurs at PVC with 80 N static load is 7.95 cm, and the highest factor of safety value occurs at Aluminum 6063-T5 with 60 N static load is 2.8, which has a good quality. These three variables are highly affected by the value of loads and modulus of elasticity from  the  material,  where  Aluminum  6063-T5’s  value  of  modulus  of  elasticity  are  higher  than PVC’s. In conclusion, designing a foldable animal wheelchair is recommended using Aluminum 6063-T5.
Keywords :  displacement,  factor  of  safety,  finite  element  analysis  (fea),  foldable  animal wheelchair, stress

## PENDAHULUAN
Menurut  hasil  survei online yang dilakukan  oleh  Rakuten  Insight  pada  tahun 2021 mengenai kepemilikan hewan peliharaan di Asia, sekitar 3 dari 5 orang memiliki hewan peliharaan. Tiga jenis hewan peliharaan yang paling banyak dimiliki yaitu 32% anjing, 26% kucing,  dan  15%  ikan.  Bahkan,  hampir  50% dari populasi Indonesia memiliki kucing. Hasil survei tersebut menunjukkan pesatnya perkembangan minat untuk memelihara hewan khususnya  di  Indonesia.  Hal  ini  berbanding lurus  dengan  meningkatnya  populasi  hewan seperti kucing dan anjing [1]. Peta persebaran lokasi yang menjadi rumah untuk kucing dan anjing ini pun juga beragam, ada yang tinggal bersama majikan yang memeliharanya, menetap  di  rumah  singgah  hewan  ( shelter ), dan  sebagian  nasib  hewan  yang  kurang beruntung tersebut tinggal di jalanan  menjadi hewan  liar.  Tidak  sedikit  dari  kucing  dan anjing  yang  tinggal  di  jalanan  tersebut  yang mengalami nasib malang seperti penganiyaan hingga ditabrak oleh kendaraan. Salah satunya menjadi  lumpuh  bahkan  lumpuh  permanen karena mengalami patah tulang dan komplikasi lainnya. Selain harus menanggung rasa  sakit  yang  berketerusan,  kelumpuhan anggota  gerak  seperti  tangan  maupun  kaki menjadi  sulit  dalam  menjalankan  aktivitas sehari-hari  dan  proses  pemulihan  pun terhambat.  Dalam  jangka  panjang  tentu  akan memiliki  efek  samping  pada  kesehatan  dan kualitas  hidup  hewan  tersebut.  Kelumpuhan
pun  tidak  hanya  dirasakan  oleh  hewan  yang mengalami  kecelakaan,  beberapa  hewan  juga mengalami kelumpuhan yang diakibatkan oleh faktor  internal  seperti  kerusakan  pada  otot, tulang,  syaraf,  maupun  akibat  penuaan  usia yang  menyebabkan  menurunnya  kemampuan untuk  berjalan  [2].  Untuk  meningkatkan mobilitas,  kualitas  hidup  hewan  lumpuh,  dan memberikan  alternatif  pendekatan  yang  lebih hemat  dari  biaya  untuk  operasi,  maka dirancanglah  sebuah  kursi roda  hewan.  Kursi roda  hewan  yang  digunakan  diharapkan memiliki  kekuatan  dan  ketahanan  yang  baik serta  aman  digunakan  agar  memudahkan hewan dalam beraktivitas. Selain desain, maka pemilihan  material  yang  digunakan  pun  juga merupakan  hal  yang  krusial.  Pada  proses produksi kursi roda hewan, terdapat dua jenis material yang sering digunakan sebagai rangka yaitu  Aluminium  dan  PVC,  keduanya memiliki  keunggulan  dan  kekurangannya masing-masing. Peneliti tertarik untuk melakukan penelitian mengenai analisis statik pengaruh  variasi  material  rangka  kursi  roda hewan lipat terhadap nilai tegangan, deformasi,  dan  nilai faktor  keamanan.  Meng- analisis  rancangan  akan  dilakukan  meng- gunakan  perangkat  lunak  berbasis Computer Aided  Engineering (CAE)  dengan Finite Element  Analysis (FEA).  Penambahan  fitur foldable atau  dapat  dilipat  ini  merupakan inovasi perancangan pada penelitian ini, yang mana  membedakan  dari  penelitian-penelitian sebelumnya  yang telah dilakukan. Kursi roda hewan dengan fitur adjustable atau ukurannya
dapat  disesuaikan  merupakan  hasil  penelitian oleh  Fowler  (2008)  yang  lalu  dimanufaktur menggunakan  material  PVC  dan  mendapat nilai tegangan sebesar 7500 psi [3]. Penelitian yang dilakukan oleh Montgomery dkk. (2020) yaitu merancang dan memanufaktur kursi roda hewan  yang  dirancang  khusus  untuk  Aspen, anjing yang disabilitas, dimana dari penelitian ini didapatkan tegangan sebesar 8784 psi dan faktor  keamanan  4.6  [4].  Penelitian  yang dilakukan  oleh  Panchal  dkk.  (2020)  yaitu merancang  dan  memanufaktur  kursi  roda hewan bermaterial PVC yang ukurannya dapat disesuaikan  atau adjustable dengan  tujuan biaya pembuatan yang murah [5].

## METODE PENELITIAN
Perancangan  kursi  roda  hewan  ini dilandaskan  oleh  Paten  No.  CN207476628U oleh  Liang  Zhifeng  tahun  2017  dengan  judul paten  yaitu  “ A  Kind  of  Animal  Wheelchair ” dengan  berbagai  tambahan  sesuai  kebutuhan [6].  Kursi  roda  hewan  yang  dapat  dilipat merupakan inovasi perancangan pada penelitian  ini.  Kursi  roda  hewan  yang  akan dirancang  memiliki  dua  roda  besar  di
belakang, dua roda kecil di depan, rangkanya berbentuk huruf u, terdapat harness , dilengkapi dengan safety gear seperti penggantung kedua tungkai  dan  sabuk  untuk  dada  depan  hewan (Gambar 1). Ukuran rangka kursi roda hewan akan menyesuaikan pada ukuran badan hewan yaitu panjang dan tingginya. Hewan yang akan menjadi  modelnya  yaitu  Anjing  Ras  Cavalier King  Charles  Spaniel  yang  memiliki  variasi massa  badan  6  kg,  7  kg,  dan  8  kg  [7]. Rancangan  kursi  roda  hewan  yang  digambar selanjutnya akan disimulasikan menggunakan perangkat  lunak  berbasis Computer  Aided Engineering (CAE) dengan Finite  Element Analysis (FEA).  Analisis  yang  dilakukan berupa pembebanan statik pada tegangan von mises ,  deformasi,  dan  uji  faktor  keamanan dengan  batas  nilai  2.  Adapun  material  yang digunakan  adalah  Aluminium  6063-T5  yang merupakan aluminium dengan proses pendinginan  menggunakan  media  udara  dan PVC,  yang  mana  kedua  material  tersebut merupakan material yang seringkali digunakan dalam  memanufaktur  kursi  roda  hewan.  Sifat Mekanik  dari  material  Aluminium  6063-T5 dan  PVC  yang  digunakan  dapat  dilihat  pada Tabel 1.
Tabel 1. Sifat Mekanik Material Aluminium 6063-T5 dan PVC [8] Properti Aluminium 6063-T5 PVC Massa Jenis 2700 kg/m³ 1300 kg/m³ Modulus Elastisitas 69000 MPa 2410 MPa Tegangan Luluh ( Yield Strength ) 145 MPa 51,71 MPa Ultimate Tensile Strength 186,16 MPa 55,16 MPa Tensile Strength 185 MPa 40,7 MPa Rasio Poisson 0,33 0,3825
Gambar 1. Rancangan Rangka Kursi Roda Hewan Lipat
Gambar 2. Grafik Hasil Simulasi Tegangan Terbesar

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Analisis  simulasi  dilakukan  dengan memanfaatkan  fitur  statik  pada  perangkat lunak  berbasis Computer  Aided  Engineering (CAE).  Pada  penelitian  ini  terdapat  tiga variabel  dependen  yang  digunakan  yaitu  uji tegangan,  uji  deformasi,  dan  uji  faktor keamanan  dengan  pembebanan  statik  sebesar 60  N,  70  N,  dan  80  N  pada  material Aluminium 6063-T5 dan PVC.
Analisis Tegangan ( Stress )
Analisis tegangan ini dilakukan untuk mengetahui kekuatan rangka kursi roda hewan lipat  terhadap  beban  statik.  Hasil  analisis tegangan dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2 menunjukkan bahwa semakin  besar  nilai  pembebanan  yang
diberikan  maka  nilai  tegangan  yang  didapat juga  akan  semakin  besar  sesuai  dengan
Persamaan (1): σ = F/A (1)
52,32 61,05 69,76 21,12 24,57 29,58 0 10 20 30 40 50 60 70 80 60 N 70 N 80 N

## Hubungan Variasi Material Terhadap Tegangan Tegangan Terbesar (MPa)
Aluminium 6063-T5 PVC
Nilai  tegangan  juga  dipengaruhi  oleh nilai  modulus  elastisitas  (E)  pada  material, semakin  besar  nilai  modulus  elastisitas  pada material  maka  akan  memperbesar  nilai tegangan,  sedangkan  semakin  kecil  nilai modulus  elastisitasnya  maka  akan  memper- kecil nilai tegangannya, dengan nilai modulus elastisitas  pada  Aluminium  6063-T5  sebesar 69000  MPa  dan  modulus  elastisitas  PVC sebesar  2410  MPa  [8],  hal  ini  sesuai  dengan Persamaan (2):
σ = E ε (2)
Dari uji  simulasi  yang  telah  dilakukan, tegangan  paling  besar  terjadi  pada  material
Aluminium  6063-T5  dengan  pembebanan  80
N yaitu sebesar 69,76 MPa seperti terlihat pada Gambar 3.
Analisis Deformasi ( Displacement )
Analisis  deformasi  ini  dilakukan  untuk mengetahui  besarnya  perubahan  bentuk material  yang  terjadi  pada  rangka  kursi  roda hewan lipat akibat tegangan oleh beban statik. Hasil  analisis  deformasi  dapat  dilihat  pada Gambar 4.
Gambar 3. Hasil Uji Tegangan Rangka Kursi Roda Hewan Lipat Material Aluminium 6063-T5 Dengan Pembebanan 80 N
0,97 1,13 1,3 5,96 6,94 7,95 0 2 4 6 8 10 60 N 70 N 80 N

## Hubungan Variasi Material Terhadap Deformasi (cm)
Aluminium 6063-T5 PVC
Gambar 4 menunjukkan bahwa semakin besar  nilai  pembebanan  yang  diberikan  maka besarnya  deformasi  yang  didapat  juga  akan semakin  besar  sesuai  dengan  persamaan  δ  = PL/AE dan besarnya deformasi juga dipengaruhi oleh nilai modulus elastisitas pada material,  semakin  besar  nilai  modulus elastisitas pada material maka akan memperkecil  nilai  deformasi,  sedangkan semakin  kecil  nilai  modulus  elastisitasnya maka  akan  memperbesar  nilai  deformasi,  hal ini sesuai dengan persamaan pada δ = PL/AE. Dari  uji  simulasi  yang  telah  dilakukan, deformasi  terbesar  terjadi pada  material  PVC dengan  pembebanan  80  N  yaitu  sebesar  7,95 cm seperti pada Gambar 5.
Deformasi  yang  terjadi  pada  material Aluminium 6063-T5 dapat dikatakan mengalami  deformasi  elastis  karena  nilai
tegangan  yang  didapatkan  sebelumnya  tidak melampaui  nilai tegangan  luluhnya  yaitu  145 MPa.  Pada  material  PVC  juga  mengalami deformasi  elastis  dikarenakan  oleh  tegangan yang didapatkan sebelumnya tidak melampaui nilai tegangan luluhnya yaitu 51,71 MPa.  Dari deformasi  elastis  yang  terjadi,  jika  beban tersebut  dihilangkan,  maka  material  dapat kembali  ke  posisi  semula,  namun  dengan besarnya deformasi yang terjadi pada material PVC,  ia  tidak  disarankan  agar  material terhindar dari deformasi permanen [9].
Analisis Faktor Keamanan ( Factor of Safety )
Analisis  faktor  keamanan  ini  dilakukan untuk  mengetahui  kelayakan  dan  tingkat keamanan pada rangka kursi roda hewan lipat. Hasil  analisis  faktor  keamanan  dapat  dilihat pada Gambar 6.
Gambar 5. Hasil Uji Deformasi Rangka Kursi Roda Hewan Lipat Material PVC Dengan Pembebanan 80 N
Gambar 6. Grafik Hasil Simulasi Faktor Keamanan
Gambar 7. Hasil Uji Faktor Keamanan Rangka Kursi Roda Hewan Lipat Material Aluminium 6063-T5 Dengan Pembebanan 60 N
Gambar 6 menunjukkan bahwa semakin besar  nilai  pembebanan  yang  diberikan  maka nilai faktor keamanan yang didapat juga akan semakin kecil dimana hubungan antara faktor keamanan dengan pembebanan sesuai dengan persamaan    σ  =  F/A  dan  FoS  =  σ y /σ, berdasarkan  persamaan  ini  juga,  faktor keamanan  juga  dipengaruhi  oleh  tegangan luluh, dengan semakin besarnya nilai tegangan luluh materialnya maka nilai faktor keamanan yang didapat juga akan semakin besar dengan nilai  tegangan  luluh  material  Aluminium
6063-T5  lebih  besar  daripada  PVC,  dan rancangan rangka kursi roda hewan lipat pada material  Aluminium  6063-T5  yang  diberikan pembebanan  60  N,  70  N,  80  N  dan  material PVC yang diberikan pembebanan 60 N dan 70 N  memiliki  nilai  faktor  keamanan  masih  di atas  batas  faktor  keamanan  yang  ditetapkan yaitu 2. Dari uji simulasi yang telah dilakukan, nilai  faktor  keamanan  terbesar  terjadi  pada material Aluminium 6063-T5 dengan pembebanan  60  N  yaitu  sebesar  2,8  seperti pada Gambar 7.
2,8 2,4 2,1 2,4 2,1 1,7 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 60 N 70 N 80 N

## Hubungan Variasi Material Terhadap Faktor Keamanan
Aluminium 6063-T5 PVC

## KESIMPULAN DAN SARAN
Dari  kedua  variasi  material  yang digunakan  pada  uji  tegangan,  didapatkan bahwa pengaruh variasi material rangka kursi roda hewan lipat terhadap nilai tegangan yaitu pada nilai pembebanan dan modulus elastisitas materialnya.  Semakin  besar  nilai  modulus elastisitas  pada  material  maka  akan  memper- besar nilai tegangan, sedangkan semakin kecil nilai modulus elastisitasnya maka akan mem- perkecil  nilai  tegangannya.  Semakin  besar nilai  pembebanan  pada  suatu  material,  maka nilai tegangan yang didapatkan akan semakin besar.  Tegangan  paling  besar  terjadi  pada material Aluminium 6063-T5 dengan pembebanan  80  N  yaitu  sebesar  69,76  MPa karena memiliki nilai modulus elastisitas lebih besar  daripada  PVC.  Pada  uji  deformasi, didapatkan  bahwa  pengaruh  variasi  material rangka  kursi  roda  hewan  lip  at  terhadap besarnya deformasi yaitu pada struktur rangka dan nilai pembebanan serta modulus elastisitas pada  materialnya.  Semakin  besar  nilai pembebanan  yang  diberikan  maka  besarnya deformasi  yang  didapat  juga  akan  semakin besar, Semakin besar nilai modulus elastisitas pada  material  maka  akan  memperkecil  nilai deformasi,  sedangkan  semakin  kecil  nilai modulus elastisitasnya maka akan memperbesar  nilai  deformasi.  Deformasi terbesar  terjadi  pada  material  PVC  dengan pembebanan 80 N yaitu sebesar 7,95 cm dimana  modulus  elastisitas  PVC  lebih  kecil daripada  material  Aluminium  6063-T5.  Pada uji  faktor  keamanan,  didapatkan  bahwa
pengaruh  variasi  material  rangka  kursi  roda hewan  lipat  terhadap  nilai  faktor  keamanan yaitu  pada  nilai  pembebanan  dan  tegangan luluh  materialnya.  Semakin  besar  nilai pembebanan yang diberikan maka nilai faktor keamanan  yang  didapat  akan  semakin  kecil. Semakin besar nilai tegangan luluh pada suatu material,  maka  nilai  faktor  keamanan  yang didapatkan  akan  semakin  besar.  Nilai  faktor keamanan  terbesar  terjadi  pada  material Aluminium  6063-T5  dengan  pembebanan  60 N  yaitu  sebesar  2,8  karena  memiliki  nilai tegangan luluh lebih besar daripada PVC.
Untuk  penelitian  selanjutnya  dapat dikembangkan dengan menambah uji kelelahan ( fatigue analysis ), analisis dinamik, maupun  pengujian  lainnya,  membandingkan dengan  material  lain,  menambah  fitur  lain seperti  menyesuaikan  ukuran  ( adjustable ) pada  kursi  roda  hewan  lipat  atau  menambah sistem suspense .  Selain  itu,  penelitian  dapat dikembangkan dengan  melakukan perancangan ulang  kursi  roda  hewan  lipat  agar  kursi  roda hewan dapat terlipat dengan baik, melakukan penelitian  kursi  roda  hewan  lipat  yang diperuntukkan  kepada  hewan  yang  memiliki variasi  massa  badan  berkategori  sedang  dan besar,  juga  dapat  dilakukan  rancang  bangun sebuah kursi roda hewan lipat agar mengetahui performanya saat digunakan oleh hewan.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] R.  Insight,  “Pet  ownership  in  Asia,” insight.rakuten.com ,  Feb.  27,  2021.
[Daring]. Available:
https://insight.rakuten.com/pet- ownership-in-asia/. [Diakses: 10 November 2021].
[2] N.  Olby,  “The  pathogenesis  and treatment of acute spinal cord injuries in dogs,” Vet  Clin  North  Am  Small  Anim
Pract, vol.  5,  no.  40,  hal.  791  –  807,
2010.
[3] E.  B.  Fowler,  “Design,  analysis,  and development  of  cost-effective  canine wheelchairs,” thesis ,  University  of
Louisville, Louisville, KY, 2008.
[4] J.  Montgomery,  K.  Thomas,  dan  P.
Johnson,  “Final  design  review  report: the  underdogs,” thesis ,  California
Polytechnic  State  University,  San  Luis Obispo, CA, 2020.
[5] I.  Panchal,  A.  Devta,  dan  A.  Pandey,
“Development  and  modification  of existing  canine  wheelchair  into  cost
effective model,” In Proc. 2nd
International  Conference  on  Advanced Technologies for Societal Applications ,
hal. 905 – 911, 2020.
[6] L. Zhifeng, “A kind of animal wheelchair,” China Patent CN207476628U, 19 Oktober 2017.
[7] B.  Maddock,  “Cavalier  King  Charles Spaniel,” dimensions.com ,  22  Agustus 2021. [Daring]. Available: https://www.dimensions.com/element/ca valier-king-charles-spaniel.  [Diakses:  8 November 2021].
[8] Matweb,  “Aluminum  6063-T5”,  2021. [Daring]. Available : https://matweb.com.
[Diakses: 6 November 2021].
[9] B. J. Goodno dan J. M. Gere, Mechanics of  Materials,  9th  ed.  Boston:  Cengage Learning,  2018.  [E-book]  Available:
Google Books.